城市大气总悬浮颗粒物与城市热岛.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-城市大气总悬浮颗粒物与城市热岛周凯1,3，叶有华2，彭少麟1,2*，粟娟41.中国科学院华南植物园，广东广州510650；2.中山大学生命科学学院，广东广州510275；3.中国科学院研究生院，北京100039；广州市林业局，广东广州510000摘要：城市大气总悬浮颗粒物是造成全球大部分城市空气污染严重的原因之一，世界各国对之已进行过很多的研究。大量的研究显示，总悬浮颗粒物的污染非常严重，是影响城市空气质量的首要污染物。总悬浮颗粒物的源以人为来源为主，其汇则以湿沉降为主。总悬浮颗粒物对城市气候的影响主要通过2种方式：一种是通过散射或吸收太阳辐射直接影响气候；另一种是以云凝结核的形式改变云的光学特性和云的分布而间接影响气候。但是总悬浮颗粒物与城市热岛相互关系的研究目前还未受到应有的关注，总悬浮颗粒物与城市热岛的相互作用尚未有定论，总悬浮颗粒物既有促进城市热岛形成，也有促进城市冷岛形成的研究报道。文章认为可从如下3个方面探讨总悬浮颗粒物与城市热岛的相互关系：(1)总悬浮颗粒物在城市热岛中的贡献；(2)总悬浮颗粒物影响城市热岛的作用机理；(3)总悬浮颗粒物与城市植被和城市热岛的相互关系及植被对总悬浮颗粒物的净化、对城市热岛的缓解。研究总悬浮颗粒物与城市热岛的相互关系为制定科学合理的城市大气总悬浮颗粒物污染防治措施，有效缓解现代城市热岛难题提供理论依据。关键词：总悬浮颗粒物；城市热岛；城市气候中图分类号：X16文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）02-0381-05据估计，到2025年，全世界有近60%的人将居住在城市1，日益加速的城市化对世界范围内的城市气候已经产生了深远的影响，其中最显著的特征之一就是城市热岛效应。城市热岛效应是指当城市发展到一定规模，由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区，形成类似高温孤岛的现象2。由于全世界范围内城市规模不断扩大、农村及欠发达地区的人口不断向城市集中、人为热迅速增长、城市建筑物猛增等因素，城市热岛日趋严重并已倍受全球关注。各国学者从不同的角度对城市热岛的主要形成机制、时空分布特征、生态环境效应、缓解对策进行了广泛的研究3-10。研究认为，总悬浮颗粒物(TotalSuspendedParticles，TSP)在城市热岛效应中起重要的作用11,12。总悬浮颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径在0100µm的固体颗粒物（Particles）和液体小滴（Droplets），包括PM10（粒径范围在010µm）和PM2.5（粒径范围在10100µm）。本文总结了城市大气总悬浮颗粒物的现状、源与汇、总悬浮颗粒物的气候效应及其在城市热岛效应中的贡献，为制定科学合理的城市大气颗粒悬浮物污染防治对策，有效缓解现代城市热岛难题，实现城市的可持续发展提供理论依据。1总悬浮颗粒物的现状尽管世界各国政府对包括总悬浮颗粒物在内的空气质量改善进行了不懈的努力，但是目前的形势依然严峻。与经济总量的持续增长和粗放式的经济增长方式密切相关，全国主要大气污染物的排放量逐年增加。有资料显示，中国大陆主要城市大气悬浮颗粒物的平均浓度已由1982年的0.729mg/m3下降到1997年的0.291mg/m3。但是根据中国城市环境保护披露的信息，截止到2004年，影响我国城市空气质量的首要污染物仍是悬浮颗粒物。在113个全国环境保护重点城市中，33个城市的空气质量达到国家二级标准（0.20mg/m3），51个空气质量为三级（0.30mg/m3）13，29个城市空气质量为劣三级，分别占29.2%、45.1%和25.7%。颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部14。悬浮颗粒物中PM10和PM2.5的质量浓度与人体的健康状况显著相关15,16，已引起公众的极大关注。总悬浮颗粒物是当前大气质量监测与评价中一个重要的污染指标，被认为是影响空气质量的首要污染物17。因此，许多国家都制定了严格的空气质量标准限制总悬浮颗粒物浓度，其中中国于1996年1月8日批准实施环境空气质量标准（GB3095-1996），欧盟于1996年9月27日通过大气质量评价控制准则（96/62/EG），美国于1996年首次也是目前世界上唯一将PM2.5纳入到大气质量标准和监测范围之内的国家18。2总悬浮颗粒物的源与汇382生态环境第15卷第2期（2006年3月）2.1总悬浮颗粒物的源（Source）2.1.1自然来源沙漠地区、干旱或半干旱地区裸露地面、生物圈、火山喷发及海洋等都是总悬浮颗粒物的自然来源，它们产生的总悬浮颗粒物对全球气温产生较大的影响，如戈壁沙尘暴可将粉尘输送到数十公里的高空，大气环流又将颗粒物输送到很远的地区。2.1.2人为来源人为来源是指人类活动向大气排放的颗粒物，如石化燃料的燃烧、土地的荒漠化、农作物秸秆的焚烧、森林火灾及工农业生产过程等都可以产生大量的总悬浮颗粒物。这些悬浮颗粒物粒径一般小于2.5µm，同时还排放大量的SO2、NOx、HC等气体，经过光辐射和化学反应形成毒性更强的硫酸盐、硝酸盐、铵盐等物质。来自人为活动的细颗粒悬浮物毒性大，容易在体内沉积，对人类健康影响很大。自城市化进程加快以后，大气颗粒物就成为城市空气污染的重要因素，人类对土地利用的改变往往伴随着总悬浮颗粒物浓度的急剧升高。2.2总悬浮颗粒物的汇（Sink）2.2.1干沉降总悬浮颗粒物一旦进入大气，就随着大气而运动。大粒径颗粒物由于重力的作用在空中滞留时间很短，与地表及地表上的物体（建筑物、树木及花草等）碰撞摩擦而沉降或被吸附，能很快降落至地面，多属于燃烧不完全的小碳粒，既通常所见到的黑烟。2.2.2湿沉降小粒径的颗粒物在静止大气中由对流层上部落回到地面需要几天到几十天。若有热对流运动，靠重力沉降到地面几乎是不可能的，总悬浮颗粒物之间的聚合及与云滴、雨滴的并合，并被雨、雾等携带、溶解和冲刷，这些是湿沉降的主要过程。不同城市不同季节，总悬浮颗粒物的汇或者以干沉降为主，或者以湿沉降为主。3总悬浮颗粒物的气候效应有的悬浮颗粒物本身就是有毒物质或有毒物质的载体，也可以作为大气中一些化学反应的媒介，通过吸收和散射太阳辐射而影响气候的变化。虽然总悬浮颗粒物在大气中的含量很少，但是因其组成复杂性、性质多样性对城市环境、城市气候和居民身体健康的危害很大19，还有研究认为总悬浮颗粒物是继CO2之后导致全球气候变暖的第2个直接驱动力20。自上个世纪90年代以来，总悬浮颗粒物的生态学效应问题已成为大气化学研究中前沿的领域。目前认为，总悬浮颗粒物对气候的影响主要通过2种方式：一种是通过散射或吸收太阳辐射直接影响气候。总悬浮颗粒物的直接效应是将太阳辐射折射到外空；有些悬浮颗粒物如煤烟灰，可以直接吸收太阳辐射，导致城市大气增温；或者吸收红外辐射，促进温室效应的形成。但是也有认为悬浮颗粒物对太阳辐射的散射作用超过吸收，因而起致冷的效果21。悬浮颗粒物还影响云凝集核的数目、密度及体积，影响城市降雨，还对大气能见度的降低亦有重要的影响22,23。以云凝结核的形式改变云的光学特性和分布而间接影响气候，尽管它带给包括城市生态系统在内的间接效应却并不清楚17，实际上这种间接影响至今无法定量计算，是研究总悬浮颗粒物对气候影响的一个重要同时也是极为困难的课题23。4总悬浮颗粒物在城市热岛效应中的作用研究现状现有的研究认为，总悬浮颗粒物加剧城市热岛强度12,24,25，降低昼夜间温度波动幅度26，使城市大气增温、改变大气的稳定性及垂直运动，影响大范围内的大气环流和水文循环27。Jonsson等人12首次对坦桑尼亚首都达累斯萨拉姆（DaresSalaam）城市热岛与总悬浮颗粒物的相互关系进行了研究，认为夜间的热岛强度与总悬浮颗粒物浓度呈正相关关系。我国张云海等人28对沈阳城市热岛变化趋势及其与总悬浮颗粒物相关关系进行了初步研究，认为总悬浮颗粒物浓度与热岛强度之间存在正相关关系（相关系数为0.58），与Jonsson等人的研究结果类似。但是也有不同结论的研究报道。城市上空悬浮颗粒物形成的“尘盖”（Dustdome）首先影响太阳光的辐射过程，随后导致城市边界层（urbanboundarylayer，UBL）系统的能量平衡失衡，总悬浮颗粒物浓度与“城市冷岛”（Urbancoldisland）之间存在一个正相关关系29。Chen30通过对上海市30余年气象数据的研究也认为，城市大气中的悬浮物也会产生致冷的作用，与IPCC17的结论一致。另外Deng31也认为，悬浮物导致气温下降，城市热岛是人为热、城市下垫面性质改变及其它因素导致的大气增温和悬浮物降温之间平衡的结果，前者的作用是主要的，后者的作用则是次要的。1991年菲律宾的皮那图博（Pinatubo）火山爆发，大量的悬浮颗粒物进入大气是导致全球平均温度下降0.5的原因之一32。英国Newscientist网站2005年5月14日和2005年6月29日的报道都认为，总悬浮颗粒物可以抑制温室气体的增温作用从而减轻城市热岛的强度，总悬浮颗粒物对城市热岛周凯等：城市大气总悬浮颗粒物与城市热岛383的抑制程度一直被低估，但是抑制程度到底有多大目前还不是很清楚。虽然有利用环境监测资料和气候统计资料分别研究世界各地城市总悬浮颗粒物和城市热岛发生发展规律及其成因，但是并没有对两者的相关性进行更深入的展开。总的来说，正如Crutzen11指出的那样，总悬浮颗粒物在城市热岛中的贡献并未受到应有的重视，要想阐明两者的关系还需要做更多深入的研究工作。5城市绿地、总悬浮颗粒物与城市热岛之间的相互关系除了视觉美以外，城市绿地系统对城市生态系统亦有重要的生态功能，如涵养水分、维持碳氧平衡、降温增湿、吸附有害物质等，城市绿地系统对大气总悬浮颗粒物的吸附一直受到众多研究的关注。城市绿地系统的乔木与灌木阻滞和过滤大气颗粒物、矮灌木与草本等地被植物阻滞和吸附地面扬尘、作为垂直绿化的攀缘植物阻挡过滤悬浮颗粒物，因此有人提出以植物的吸附与阻滞总悬浮颗粒物的能力大小作为城市乔木、灌木和草本植物选择的重要依据32。Chaulya34通过对一个露天煤矿总悬浮颗粒物和PM10的研究提出用城市绿带（Greenbelt）作为缓解重点污染源总悬浮颗粒物浓度的对策之一。还有研究对城市植被净化大气价值的评估，认为西安市城市植被年滞尘能力估价为1.82511亿元之多35。由此可见提高城市植被覆盖率，提高总体绿量，并且形成一个合理的乔、灌、草配置格局对城市景观结构的形成是十分重要的，而且对充分发挥其自净化的生态功能也是十分必要的。同时，城市绿地系统通过蒸腾作用吸收大量的热量，降低城市环境的空气温度，在调节城市气候、缓解城市热岛方面的作用得到越来越多的证实33，36-38；研究还认为城市绿地面积持续减少是热岛普遍而频繁发生的重要原因之一33。但是目前对城市植被吸附与阻滞悬浮颗粒物的机理还不清楚39，进而对如何影响城市热岛就知之更少，因此有必要将城市绿地、总悬浮颗粒物和城市热岛三者结合起来研究。6总悬浮颗粒物在城市热岛研究中的展望随着全球城市化进程的加快，城市热岛效应也越来越明显。有研究认为在过去50a里，全国城市热岛效应平均近0.0640-41。巧合的是，总悬浮颗粒物浓度较大的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部，而这些地区的城市如重庆、西安、北京和天津的热岛强度都较高。总悬浮颗粒物与城市热岛是否存在相互关系及相关性的大小还需要做更深入的研究。本文在综述现有研究文献的基础上，认为可从如下3个方面探讨总悬浮颗粒物与城市热岛的相互关系：（1）总悬浮颗粒物在城市热岛效应中的贡献；（2）总悬浮颗粒物影响城市热岛的作用机理；（3）总悬浮颗粒物与城市植被和城市热岛的相互关系，及植被对总悬浮颗粒物的净化。只有对城市总悬浮颗粒物与城市热岛两者相互关系有一个清晰的认知，才有可能为城市规划提供消除城市热岛与总悬浮颗粒物不利影响的措施依据，从而实现城市生态系统的可持续发展。参考文献：1UNFP.TheStateofWorldPopulation1999M.NewYork:UnitedNationsPopulationFund,UnitedNationsPublications,1999:76.2LANDSBERGHE.TheUrbanClimateM.NewYork:AcademicPress,1981.3宋艳玲,张尚印.北京市近40年城市热岛效应研究J.中国生态农业学报,2003,11(4):126-129.SONGYL,ZHANGSY.ThestudyonheatislandeffectinBeijingduringlast40yearsJ.ChineseJournalofEco-Agriculture,2003,11(4):126-129.4STREUTKERDR.Satellite-measuredgrowthoftheurbanheatislandofHouston,TexasJ.RemoteSensingofEnvironment,2003,85:282-289.5MIHALAKAKOUG,SANTAMOURISM,PAPANIKOLAOUN,etal.StimulationoftheurbanheatislandphenomenoninMediterraneanclimatesJ.PureandAppliedGeophysics,2004,161:429-451.6KHANSM,SIMPSONRW.Simulationofmixingdepthsincorpo-ratingtheurbanheatislandeffectJ.EnvironmentalModelingandAssessment,2001,6:183-193.7FANHL,SAILORDJ.Modelingtheimpactsofanthropogenicheat-ingontheurbanclimateofPhiladelphia:acomparisonofimplementa-tionsintwoPBLschemesJ.AtmosphericEnvironment,2005,39:73-84.8ZHOUN,GAOWJ,NISHIDAM,etal.FiledstudyonthethermalenvironmentofpassivecoolingsysteminRCbuildingJ.EnergyandBuildings,2004,36:1265-1272.9DOUSSETB,GOURMELONF.Satellitemuli-sensordataanalysisofurbansurfacetemperaturesandlandcoverJ.JournalofPhotogram-metryandRemoteSensing,2003,58:43-54.10SAARONIH,BEN-DORE,BITANA,etal.SpatialdistributionandmicroscalecharacteristicsoftheurbanheatislandinTel-Aviv,Isra-elJ.LandscapeandUrbanPlanning,2000,48:1-18.11CRUTZENPJ.NewDirection:Thegrowingurbanheatandpollu-tion“island”effectimpactonthechemistryandclimateJ.Atmos-phericEnvironment,2004,38:3539-3540.12JONSSONP,BENNETC,ELIASSONI,etal.SuspendedparticulatematteranditsrelationtotheurbanclimateinDaresSalaam,Tanza-niaJ.AtmosphericEnvironment,2004,38:4175-4181.13中国国家环保局.GB30951996中华人民共和国环境空气质量384生态环境第15卷第2期（2006年3月）标准S.EnvironmentalProtectionAdministrationofChina.GB30951996StateNationalStandardofthePeoplesRepublicofChinaS.14中国国家环保总局.中国的城市环境保护EB/OL.http:/www.sepa.gov.cn/eic/649096689457561600/20050617/8889.shtml.StateEnvironmentalProtectionAdministrationofChina.Environ-mentalprotectionofcitiesinChinaEB/OL.http:/www.sepa.gov.cn/eic/649096689457561600/20050617/8889.shtml.15ARDITSOGLOUA,SAMARAC.Levelsoftotalsuspendedparticu-latematterandmajortraceelementsinKosovo:asourceidentifica-tionandapportionmentstudyJ.Chemosphere,2005,59:669-678.16DNANYH,OSCARB,GERARDH,etal.PM10andPM2.5concen-trationsinCentralandEasternEurope:resultsfromtheCESARstudyJ.AtmosphericEnvironment,2001,35:2757-2771.17IntergovernmentalPanelonClimateChange.ClimateChange2001:TheScientificBasisM:Cambridge,UK:CambridgeUniversityPress,2001.18QUEROLX,ALASTUEYA,RODRIGUEZS,etal.MonitoringofPM10andPM2.5aroundprimaryparticulateanthropogenicemissionsourcesJ.AtmosphericEnvironment,2001,35:845-858.19TURPINBJ,HUNTZICKERJJ.SecondaryformationoforganicaerosolintheLosAngelesBasin:adescriptiveanalysisoforganicandelementalcarbonconcentrationsJ.AtmosphericEnvironment,1991,25:207-215.20JACOBSONMZ.StrongradiativeheatingduetothemixingstateofblackcarboninatmosphericaerosolsJ.Nature,2001,409:695-697.21CHISTOFOROUCS,SALMONLG,HANNIGANMP,etal.TrendsinfineparticleconcentrationandchemicalcompositioninsouthernCaliforniaJ.JournaloftheAir&WasteManagementAs-sociation,2000,50:43-53.22CHANYC,SIMPSONRW.etal.CharacterizationofchemicalspeciesinPM2.5andPM10aerosolsinBrisbane,AustraliaJ.At-mosphericEnvironment,1997,31:3773-3785.23王明星.气溶胶与气候J.气候与环境研究,2000,5(1):1-5.WANGMX.AerosolinrelationtoclimatechangeJ.ClimaticandEnvironmentalResearch,2000,5(1):1-5.24YOSHIKADOH,TSUCHIDAM.HighlevelsofwinterairpollutionundertheinfluenceoftheurbanheatislandalongtheshoreofTokyobayJ.JournalofAppliedMeteorology,1996,35:1804-1813.25李子华,唐斌,任启福.重庆市区冬季热岛和湿岛效应的研究J.地理学报,1993,48(4):358-366.LIZH,TANGB,RENQF.AstudyontheeffectsoftheheatandwetislandinthecityofChongqingduringwintertimeJ.ActaGeo-graphicaSinica,1993,48(4):358-366.26TRAVISDJ,CARLETONA.M,LAURITSENRG.Contrailsre-ducedailytemperaturerangeJ.Nature,2002,418:601.27MENONS,HANSENJ,NAZARENKOL,etal.ClimateeffectsofblackcarbonaerosolsinChinaandIndiaJ.Science,2002,297:2250-2253.28张云海,李法云,刘闽.沈阳城市热岛变化趋势及其与TSP相关关系的初步分析J.环境保护科学,2004,30(2):1-2.ZHANGYH,LIFY,LIUM.AnalysisonurbanHeatIslandchang-ingtrendanditsrelationwithTSPinShenyangJ.EnvironmentalProtectionScience,2004,30(2):1-2.29SANGJG,LIUHP,LIUHZ,etal.ObservationalandnumericalstudiesofwintertimeurbanboundarylayerJ.JournalofWindEn-gineeringandIndustrialAerodynamics.2000,87:243-258.30CHENLX,ZHUWQ,ZHOUXJ,etal.CharacteristicsoftheHeatislandeffectinShanghaianditspossiblemechanismJ.AdvancesinAtmosphericSciences,2003,20(6):991-1001.31DENGRR,TIANGL,WANGXM,etal.QuantitativeremotesensingforsyntheticaerosolanditsapplicationinShanghaidis-trictR.Hangzhou,China:SPIEsThirdInternationalAsia-PacificEnvironmentalRemoteSensingSymposium,July2002:125-129.32付培健,王世红,陈长和.探讨气候变化的新热点:大气气溶胶的气候效应J.地球科学进展,1998,13(4):387-392.FUPJ,WANGSH,CHENCH.Thehotdiscussiononaboutcli-matechange:TheclimateeffectsofaerosolsJ.AdvanceinEarthSciences,1998,13(4):387-392.33李延明,郭佳,冯久莹.城市绿色空间及对城市热岛效应的影响J.城市环境与城市生态,2004,17(1):1-4.LIYM,GUOJ,FENGJY.Urbangreenspaceanditseffectonur-banheatislandJ.UrbanEnvironmentandUrbanEcology,2004,17(1):1-4.34CHAULYASK.AssessmentandmanagementofairqualityforanopencastcoalminingareaJ.JournalofEnvironmentalManagement,2004,70:1-14.35马新辉,任志远,孙根年.城市植被净化大气价值计量与评价:以西安市为例J.中国生态农业学报,2004,12(2):180-182.MAXH,RENZY,SUNGN.ThecalculationandassessmenttothevaluesofairpurificationbyvegetationinXiancityJ.ChineseJournalofEco-Agriculture,2004,12(2):180-182.36NYUKHW,CHENY.StudyofgreenareasandurbanheatislandinatropicalcityJ.HabitatInternational,2005,29:547-558.37GOMEZF,GAJAE,REIGA.VegetationandclimaticchangesinacityJ.EcologicalEngineering,1998,10:355-360.38SHASHUA-BARL,HOFFMANME.Vegetationasaclimaticcomponentinthedesignofanurbanstreet-AnempiricalmodelforpredictingthecoolingeffectofurbangreenareaswithtreesJ.En-ergyandBuildings,2000,31:221-235.39柴一新,王晓春,孙洪志,等.中国城市森林研究热点J.东北林业大学学报,2004,32(2):74-77CHAIYX,WANGXC,SUNHZ,etal.HottopicofurbanforeststudyinChinaJ.JournalofNortheastForestryUniversity,2004,32(2):74-77.40IPCC.ClimateChange2001:TheScientificBasisEB/OL.http:/www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/index.htm.41LIQ,ZHANGH,LIUX,etal.Urbanheatislandeffectonannualmeantemperatureduringthelast50yearsinChinaJ.TheoreticalandAppliedClimatology,2004,79:165-174.